KAIST, 세계 최고 광센서 개발...전력 없이 빛만으로 20배 민감해

작성일 08-14

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 KAIST가 개발한 신규 개발 무전력 광센서의 광학 현미경 이미지
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 기존 광센서에 사용되는 실리콘 반도체는 빛에 대한 반응성이 낮고, 2차원 반도체 이황화 몰리브덴(MoS₂)은 너무 얇아 전기 특성을 조절하는 도핑 공정이 어려워 고성능 광센서 구현에 한계가 있었다.
 이런 가운데 한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)이 빛만으로 전력 없이 작동하는 세계 최고 성능 무전력 광센서를 개발했다. 광원만 있으면 웨어러블 기기, 생체 신호 모니터링, 사물인터넷(IoT) 기기, 자율주행 자동차, 로봇 등이 배터리 없이 정밀 센싱이 가능한 시대를 앞당겼다.
 KAIST는 이가영 전기 및 전자공학부 교수팀이 외부 전원 공급 없이 작동하는 무전력 광센서를 개발했다고 14일 밝혔다. 이 센서는 기존 제품보다 민감도가 최대 20배 향상돼, 현재까지 공개된 동급 기술 가운데 최상위 수준 성능을 보였다.
 연구팀은 전기 에너지를 공급하지 않아도 빛이 있는 환경이라면 스스로 전기 신호를 만들어 낼 수 있는 'PN 접합 구조' 광센서를 '도핑' 없이 반도체를 전기 신호에 매우 민감하게 하는 '반데르발스 하부 전극'을 도입해 만들어 냈다.
 PN 접합은 반도체에서 P형(정공이 많은)과 N형(전자가 많은) 재료를 접합한 구조다. 이 구조는 빛을 받았을 때 전류를 한 방향으로 흐르게 만들어, 광센서·태양전지 핵심 요소다.
 PN 접합을 제대로 만들려면 보통 도핑 공정이 필요한데 이것은 반도체에 일부러 불순물을 넣어서 전기 특성을 바꾸는 작업이다. 하지만 MoS₂ 같은 2차원 반도체는 원자 몇 겹 두께로, 기존 반도체처럼 도핑하면 오히려 구조가 망가지거나 성능이 떨어질 수 있다. 이상적인 PN 접합을 만들기 힘들다.
 연구팀은 기존 한계를 극복하고 소자 성능을 극대화하기 위해 반데르발스 전극과 '부분 게이트'라는 두 가지 핵심 기술을 도입한 새로운 소자 구조를 고안했다.
 부분 게이트 구조는 2차원 반도체 일부 영역에만 전기 신호를 걸어 한쪽은 P형처럼, 다른 쪽은 N형처럼 작동하게 제어한다. 도핑 없이도 전기적으로 PN 접합처럼 작동하게 만들 수 있다.
 기존 금속 전극은 반도체와 강하게 화학적으로 결합해 반도체 고유 격자 구조를 손상시킬 수 있다는 점을 고려해 반데르발스 힘으로 '반데르발스 하부 전극'에 부드럽게 붙게 해 2차원 반도체 본래 구조를 유지하면서도 전기 신호를 잘 전달했다.
 외부 전원 없이 빛을 받기만 하면 전기 신호를 생성할 수 있다. 빛을 감지하는 민감도(응답도)는 전원이 필요한 기존 센서보다 20배 이상이고, 실리콘 기반 무전력 센서보다 10배, 기존 MoS₂센서보다 2배 이상 높은 수준이다. 생체 신호 탐지나 어두운 환경에서도 작동 가능한 고정밀 센서에 바로 응용될 수 있다.
 이가영 교수는 “이 기술은 센서뿐만 아니라 스마트폰이나 전자기기 내부에서 전기를 조절하는 핵심 부품에도 활용 가능하여, 미래형 전자기기의 소형화·무전력화를 앞당길 수 있는 기반이 될 것”이라고 강조했다.
 이번 연구 결과는 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈'에 지난 7월 26일 자 온라인 게재됐다.
 김영준 기자 kyj85@etnews.com
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